基于SASW法的隧道衬砌状态评估研究

苏国锋 于鹏程 熊洪强 金 洲

(1.成都西南交大研究院有限公司 四川成都 610031；2.京沈铁路客运专线辽宁有限责任公司 辽宁沈阳 110006)

1 引言

近年来，我国隧道与地下工程建筑发展迅速，越来越多的隧道工程投入运营，但是隧道完工后肉眼无法看清内部状态且随着运营年限的增加存在一定程度的老化现象，预防性安全维修措施要求隧道业主定期检测隧道衬砌[1]。为了彻底便捷地获取衬砌内部状态，准确划分隐患区段，工程科技工作者仍在寻求评估隧道衬砌结构完整性的便捷的可靠技术[2]。目前超声波、红外图像、探地雷达等技术已应用于实际隧道工程中，但很难确认其老化程度，仍需对混凝土衬砌进行取芯来评价其抗压强度[3-6]。SASW方法最初是由Nazarian和Stokoe等人于1986年提出的一种为检测土层和路面的剪切波传播性能的地震波测试分析方法[7-9]。近年来该方法逐渐被应用于水利工程[10]、基础工程[11]，但很少应用于隧道工程领域，本文将SASW无损检测方法应用于评估衬砌状态，只需将检波器置于隧道衬砌表面且只通过一次激振锤冲击即可获取待测介质沿着深度范围内的传播速度、弹性模量(杨氏模量)等信息，参数可快速便捷地评价隧道衬砌状态。

对于均匀的弹性混凝土衬砌，当其结构表面受到竖向冲击时，介质中一般会产生三种类型的波，即纵波、横波和瑞雷波(Rayleigh wave，简称R波)。R波质点运动方向为椭圆形的平面运动轨迹，且影响的范围大约在一个波长的深度范围内，相对于横波和纵波的衰减，瑞雷波传播慢[12]。SASW法主要采集R波信号进行反演分析获得介质中的剪切波速，从而实现衬砌质量的表面波法检测。

2 SASW理论及衬砌测试原理

SASW方法采用两道传感器接收表面波信号，单个波动组分在时间上的频度称为频率，而在空间(距离)上的频度称为波数。由频率波数谱中某个波动组分的频率和波数，可以确定它的周期和波长，由这个波动组分正弦和余弦分量的振幅，可以合成该组分的谱振幅，这反映了该组分传播的弹性能量的振幅大小。将空间—时间域上的R波数据进行二维傅里叶变换分析，转换为频率—波数域上的幅值信息，再根据R波在频率—波数域上振幅能量最大特点，提取R波频散曲线。测试的关键因素取决于表面波能量的产生和激发源与检波器间距离的测定，衬砌层状介质中，表面波的传播主要决定于频率(波长)，不同频率波速度的变换就会产生频散。频散曲线包含了衬砌结构中重要的工程性质属性，如二次衬砌和初期支护等。一般情况下，衬砌结构包括部分围岩的总深度大致在1 m的浅层范围内，这正好可以用高频分量的特征反映相关信息。文章采用SASW法的试验设备主要包括震源、检波器、通道高通滤波模块、表面波频谱分析模块、平台主机计算机辅助系统和Wintfs数据分析软件。SASW测试衬砌的布置如图1所示。置于衬砌表面的两个垂直检波器可检测到所通过的表面波，检波器接受到的信号被数字化并由动态信号分析仪记录，使用快速傅立叶变换(FFT)将每个时间信号变换到频率域中，由两个信号之间的相位差(φR)计算出每一频率，则检波器间的走时(tR)可通过下式获得。

图1 SASW测试衬砌的布置原理

式中每个频率的相位差(φR)和频率(f)是在每秒的周期内循环的，由于检波器间的距离(D)是已知的，则表面波速度(vR)由下式计算:

相应地，表面波的波长(λR)可以确定:

针对每个频率进行累计计算，最后将计算结果以频散曲线的形式表示出来。

3 模型试验

3.1 模筑混凝土模型试验

模型试验主要针对模筑混凝土厚度和强度开展，预制强度等级为C20的试验模型:300 cm(长度)×200 cm(宽度)×30 cm(高度)，模型四周边为钢筋混凝土结构，中间上部为素混凝土，下部为钢筋混凝土。试验设置了两种测试工况:(1)模筑混凝土在自然干燥工况下测试；(2)模筑混凝土在露雨天后(6 h中雨)工况下测试，潮湿的模型可以模拟渗漏水劣化病害衬砌，自然干燥的模型可以模拟正常状态的衬砌。现场试验模型结构如图2所示。

图2 模筑混凝土试验模型

在设定的模型区域获取SASW数据的波形初始部分应用Exponential函数进行指数滤波，相位角遮蔽是获取高质量SASW数据的关键，应用相位角遮蔽方法拾取干燥工况和潮湿工况相位频谱循环函数图。两种工况下波速随深度变化趋势如图3所示，二维傅里叶变换后提取的R波频散曲线如图4所示。

图3 两种工况下的波速变化趋势

图4 模型在两种工况下的Young’s Modulus-Wavelength频散曲线

R波在衬砌模型测试中的频散特点明显，频散结果表明:(1)频散曲线的“之”字形频散效果很容易分辨出30 cm的模型厚度。(2)自然干燥工况下模型混凝土介质中的波速在1 800～2 450 m/s之间，平均波速为2 231.21 m/s，而雨天后潮湿工况下波速在1 420～2 450 m/s之间，平均波速为1 840.80 m/s。(3)淋雨后10 cm以内湿度明显大于下部结构，且随着混凝土湿度在厚度方向的递减，表面波波速逐渐递增，弹性模量(杨氏模量)逐渐递增；潮湿的混凝土表面波速度较低，其强度也相应的降低；两组Young’s Modulus-Wavelength频散曲线表明干燥条件下混凝土的强度高于潮湿的情况。(4)两种工况下波速随深度变化的斜率显然不同，假定工况能很好地反映衬砌劣化工况，潮湿工况下频散曲线的斜率变化更快，表明SASW对衬砌劣化程度是敏感的，符合频散理论。

3.2 隧道模型内测试试验

模筑混凝土模型试验之后，在隧道模型内进行了测试试验，如图5所示。该隧道模型是一个边墙部位衬砌断面变化的模型，断面变化前后厚度差为20 cm，隧道模型衬砌由一层曲面混凝土材料构成，混凝土材料背后是支撑钢模板，拱顶混凝土内部因预埋多个传感器存在多处裂缝，混凝土强度等级为C20。在断面变化附近边墙和拱顶部位分别布置了测区，提取数据质量的一致性良好的相位数据，隧道实体模型内R波频散结果如表1和图6所示。

图5 隧道模型内边墙和拱顶SASW测试

表1 隧道实体模型测试Young’Modulus-Wavelength频散曲线关键点特征值 MPa

图6 隧道实体表面波Velocity-Wavelength频散曲线

隧道边墙和拱顶两个部位的Velocity-Wavelength频散曲线和Young’s Modulus-Wavelength频散结果变化趋势分别保持一致。边墙的测试结果反映了衬砌的分层界面，所在测线处边墙衬砌厚度为30 cm，在0.3 m处有一个层位分界面，0.2 m处的拐点与衬砌断面的变化相互对应；0.2 m之前，波速在2 200～2 400 m/s之间，衬砌平均波速为2 344.63 m/s；杨氏模量在35 000～40 000 MPa之间，模量均值为37 530.52 MPa，且为递减趋势；0.2～0.3 m之间，波速保持在2 200 m/s，杨氏模量保持在35 000 MPa，表现出高度的一致性，可以判定墙体内部介质均匀。隧道拱顶测区频散曲线在0.15 m和0.2 m深度处“之”型变化表明内部存在多个分层界面，正好应证了拱顶混凝土内部因预埋多个传感器存在多处裂缝的工况。拱顶衬砌的波速保持在2 100～2 350 m/s之间，平均波速为2 263.48 m/s；杨氏模量保持在31 000～38 000 MPa之间，模量平均值为34 860 MPa，波速和模量均在0.2 m深度处开始稳步回升直至0.3 m开始迅速衰减，与拱顶衬砌30 cm厚度的结果一致。

4 结束语

(1)隧道衬砌近似于半无限体，SASW测试结果与试验模型的各种工况相符，根据SASW理论以及室外模筑混凝土衬砌模型、隧道整体模型测试试验均可表明SASW理论确定的频散曲线评估衬砌状态具有一定的可靠度。

(2)SASW测试方法获得的剪切波速—深度剖面图可以较准确拾取隧道衬砌厚度以及内部裂缝等分层缺陷。SASW测试方法获得的杨氏模量—深度剖面图可以较准确拾取衬砌强度随深度的变化，从而可评估隧道衬砌劣化程度。

(3)高频SASW测试技术是一种简单、便捷的新型无损检测技术，有望成为新型隧道衬砌无损检测技术，为隧道常态化检测提供参考。